純電動(dòng)城市物流車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真

朱彥云 Zhu Yanyun

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純電動(dòng)城市物流車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真

朱彥云 Zhu Yanyun

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070）

針對(duì)一款已知基本參數(shù)的純電動(dòng)城市物流車，根據(jù)整車性能目標(biāo)參數(shù)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)主要部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和選型。之后基于Cruise仿真軟件搭建整車模型，并從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩方面分析整車性能，驗(yàn)證匹配設(shè)計(jì)的合理性。

純電動(dòng)城市物流車；動(dòng)力系統(tǒng)；匹配；仿真

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)各類生活用品的需求量大幅上升，極大地促進(jìn)了我國(guó)城市物流運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展[1]。然而，城市物流車數(shù)量的迅速增長(zhǎng)也給城市發(fā)展帶來(lái)了交通擁擠、汽車尾氣污染等一系列問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一款專用的純電動(dòng)城市物流車十分迫切。

1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)布置形式對(duì)電機(jī)及其控制系統(tǒng)要求較低，這種布置形式既能夠提高整車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，增加低速時(shí)的后備功率；又可以更好地利用傳統(tǒng)燃料城市物流車的底盤，大大降低開(kāi)發(fā)成本；所以，采用如圖1所示的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)布置形式。

注：M－電機(jī)；GB－變速箱；D－差速器；C－離合器。

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

整車基本參數(shù)與整車性能目標(biāo)參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 整車基本參數(shù)

參數(shù) 數(shù)值 外形尺寸/mm4 150×1 620×1 905 整車整備質(zhì)量/kg2 085 滿載質(zhì)量m/kg3 100 迎風(fēng)面積A/m2 2.64 風(fēng)阻系數(shù)CD 0.5 滾動(dòng)阻力系數(shù)f 0.013 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ 1.06 傳動(dòng)效率ηt/% 85 輪胎175/70R13LT

表2 整車性能目標(biāo)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 最高車速vmax/（km/h）≥95 最大爬坡度imax/%≥20 0～50 km/h加速時(shí)間tm /s≤10 等速行駛里程/km≥180 循環(huán)工況行駛里程/km≥130

1.2.1 電機(jī)參數(shù)匹配

整車性能的優(yōu)劣在很大程度上取決于電機(jī)[2]，電機(jī)需要匹配的參數(shù)主要有額定功率與峰值功率、額定轉(zhuǎn)速與峰值轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩[3]。

1）額定功率與峰值功率的確定

最高車速時(shí)電機(jī)功率峰1為

當(dāng)以=20 km/h的恒定車速爬坡時(shí)，電機(jī)的功率峰2為

（2）

加速過(guò)程中電機(jī)最大功率峰3為

式中，m為加速時(shí)間，；m為加速末時(shí)刻的速度，km/h。

電機(jī)需要保證純電動(dòng)城市物流車在最高車速、爬坡、加速等各種工況下都可以正常行駛，因此電機(jī)的峰值功率峰為：，故電機(jī)的峰值功率取為峰=58.0 kW。

電機(jī)的額定功率e為

式中，為電機(jī)過(guò)載系數(shù)，一般取值2～3，文中選取=2。

2）額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的確定

電機(jī)轉(zhuǎn)速是電機(jī)的主要參數(shù)之一，會(huì)對(duì)電機(jī)的價(jià)格、大小、生產(chǎn)工藝等產(chǎn)生很大影響。選用最高轉(zhuǎn)速max=4 000 r/min的低速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速e與最高轉(zhuǎn)速max關(guān)系如下

式中，為恒功率區(qū)擴(kuò)大系數(shù)，一般取值2～4，文中選取=3。

3）額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩的確定

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩e為

電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩

（7）

最終選取某款永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 電機(jī)主要參數(shù)

性能參數(shù)數(shù)值 額定功率/kW 29 峰值功率/kW 58 額定轉(zhuǎn)速/（r/min）1 370 最高轉(zhuǎn)速/（r/min）4 000 額定轉(zhuǎn)矩/N·m 202 峰值轉(zhuǎn)矩/N·m 404

1.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

將變速器的最高擋位設(shè)計(jì)成直接擋，所以傳動(dòng)系統(tǒng)最小傳動(dòng)比min等于主減速器傳動(dòng)比0。

（1）最小傳動(dòng)比確定

最小傳動(dòng)比min可以通過(guò)整車最高速度計(jì)算得到[4]，其計(jì)算公式為

式中，為車輪滾動(dòng)半徑，m；max為變速器輸入端最高轉(zhuǎn)速，r/min。選取主減速器傳動(dòng)比0為3.175。

2）通過(guò)最大爬坡度計(jì)算最大傳動(dòng)比

3）確定滿足附著條件的最大傳動(dòng)比

（10）

式中，為附著系數(shù)，對(duì)于混凝土和瀝青路面一般取值0.5～0.6[3]。

4）確定變速器的擋位數(shù)與各擋傳動(dòng)比

根據(jù)等比分配原則，變速器不同擋位傳動(dòng)比的實(shí)際分布關(guān)系為

最終設(shè)計(jì)的變速器傳動(dòng)比見(jiàn)表4。

表4 自動(dòng)變速器參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 I擋傳動(dòng)比i12.35 Ⅱ擋傳動(dòng)比i21.53 Ⅲ擋傳動(dòng)比i31

1.2.3 動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)

選擇動(dòng)力電池組的總電壓為330 V，單體額定電壓為3.3 V，將100塊單體電池串聯(lián)起來(lái)得到所需的動(dòng)力電池組。

純電動(dòng)城市物流車以40 km/h的車速勻速行駛180 km，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功率re為

目標(biāo)行駛里程下動(dòng)力電池組需要的總?cè)萘繛?/p>

（12）

式中，obj為勻速行駛車速，km/h；obj為目標(biāo)行駛里程，km；m為電機(jī)工作效率。考慮一定余量，選取=110 Ah。

綜上所述，最終選定的動(dòng)力電池組性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 動(dòng)力電池組主要性能參數(shù)

性能參數(shù)數(shù)值 電池種類磷酸鐵鋰電池 單體電壓/V 3.3 電池總數(shù)/塊100 總電壓/V330 額定容量/Ah110

2 整車建模與仿真

2.1 整車模型建立

基于AVL Cruise仿真軟件建立整車模型的過(guò)程中，只需將整車模塊、電機(jī)模塊、電池模塊、變速箱模塊、車輪模塊等從模塊庫(kù)中拖入建模窗口，建立各模塊之間的機(jī)械連接、電氣連接以及信號(hào)連接，并在各模塊輸入界面中輸入相應(yīng)的參數(shù)，之后設(shè)置計(jì)算模式，整車仿真模型如圖2所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 動(dòng)力性仿真結(jié)果分析

1）最高車速仿真結(jié)果分析

純電動(dòng)城市物流車的電機(jī)功率-行駛阻力功率平衡圖如圖3所示。由圖可知，整車的最高速度為133 km/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 純電動(dòng)城市物流車性能仿真模型

注：Pf為滾動(dòng)阻力矩；Pw為空氣阻力矩。

2）0～50 km/h加速時(shí)間仿真結(jié)果分析

0～50 km/h加速時(shí)間仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可知，0～50 km/h加速時(shí)間為9.3 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）最大爬坡度仿真結(jié)果分析

最大爬坡度仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，最大爬坡度為31%，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果分析

1）等速行駛里程

使整車以40 km/h的速度勻速行駛，直到SOC達(dá)到所設(shè)定的10%臨界值。等速行駛仿真計(jì)算時(shí)行駛里程與SOC的變化關(guān)系如圖6所示，由圖可知，在SOC從95%下降到10%的過(guò)程中，行駛里程達(dá)到了191 km，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）循環(huán)工況行駛里程

在AVL Cruise仿真軟件中對(duì)純電動(dòng)城市物流車進(jìn)行中國(guó)典型城市道路循環(huán)（Chinese Typical Urban Driving Cycle，CTUDC）行駛里程試驗(yàn)，CTUDC工況圖如圖7所示。

使純電動(dòng)城市物流車運(yùn)行在不斷循環(huán)的CTUDC工況下，直到SOC達(dá)到所設(shè)定的10%。CTUDC工況下的行駛里程與SOC的變化關(guān)系如圖8所示，從圖中可以看出，在SOC從95%下降到10%的過(guò)程中，行駛里程達(dá)到了142 km，滿足設(shè)計(jì)要求。

將仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比分析，所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)城市物流車的動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿足整車的設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表6。

表6 整車綜合性能仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求對(duì)比表

參數(shù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)要求 最高車速/（km/h）133 95 最大爬坡度/% 31 20 0~50 km/h加速時(shí)間t/s 9.3 10 等速行駛里程/km191180 CTUDC工況行駛里程/km142130

3 結(jié) 論

根據(jù)整車基本參數(shù)與性能目標(biāo)參數(shù)，采用理論計(jì)算的研究方法，主要從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面對(duì)純電動(dòng)城市物流車動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)、主減速器、變速器與動(dòng)力電池組進(jìn)行合理的參數(shù)匹配。基于仿真軟件Cruise搭建整車性能仿真模型，同時(shí)完成對(duì)其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的仿真分析。通過(guò)仿真結(jié)果與整車性能目標(biāo)參數(shù)的對(duì)比，驗(yàn)證了匹配設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)完全滿足整車的設(shè)計(jì)要求，為純電動(dòng)城市物流車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)提供了一套可行的設(shè)計(jì)流程，為后續(xù)整車性能的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

[1]宋朋，黃睿. 2014年城市物流車市場(chǎng)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J]. 專用汽車，2015（3）：48-50.

[2]袁苑，錢立軍，許宏云，等. 基于CRUISE中型純電動(dòng)客車動(dòng)力匹配仿真[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50（5）：15-18.

[3]余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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2017-03-29

1002-4581（2017）04-0022-05

U469.72：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.007